连续钢桁架叠合梁设计及建造技术

卿前志

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

1 工程概况

宁波市梅山春晓大桥工程西起春晓洋沙山东六路与春晓东八路交叉口，终点位于梅山岛盐湖路与港湾路交叉口，工程全长约1.971 km。桥梁工程主要包括主桥、春晓侧引桥、梅山侧引桥及明月湖辅道桥。梅山春晓大桥主桥采用中承式双层桁架拱桥。水中引桥结构形式为3×72 m连续钢桁架-混凝土桥面板叠合梁，包括梅山侧与春晓侧两联。为了解决慢行系统过江的问题，桥梁采用双层桥面布置：上层为双向6车道一级公路，下层为人非专用通道。考虑到下层桥面系需要布置人非系统，为降低车辆行驶过程中对下层慢行交通系统的噪声影响，同时避免钢桥面板在活载作用下的疲劳问题，上层机动车桥面系采用混凝土桥面板。

水中引桥采用钢-混凝土连续桁架叠合梁形式，设置上、下两层桥面系。结构总高8.96 m，上层桥面总宽25 m，下层桥面宽12 m。钢桁架下弦杆采用箱形截面，截面高1.2 m，截面宽1 m。上弦杆采用箱形截面，截面高1.8 m，截面宽1.53 m。腹杆根据受力采用H形或箱形截面。上层桥面弦杆中心距16.46 m，中间设置小纵梁一道。纵桥向布置横隔板，间距4 m。上层桥面为混凝土桥面板，板厚250 mm，混凝土强度等级C60。下层桥面采用钢板，加劲采用一字肋。水中引桥叠合梁横断面如图1所示。

图1 梅山春晓大桥水中引桥断面图（单位m）

现结合梅山春晓大桥水中引桥，对连续钢桁架叠合梁的设计及建造技术进行介绍。

2 钢桁梁设计

2.1 整体计算

水中引桥结构形式为3×72 m连续钢桁架叠合梁。桥梁采用双层桁架形式，上部结构混凝土桥面板纵桥向按钢筋混凝土构件设计，横桥向按预应力混凝土构件设计。

建立钢桁梁整体计算模型：上层钢横梁、腹杆、上弦杆、下弦杆、下层钢横梁以梁单元模拟。混凝土桥面板以板单元模拟，并与上层钢横梁采用共节点。上层横梁与弦杆之间采用刚性连接。下层桥面系用板单元模拟，并计入下层桥面加劲的刚度，即下层桥面板加劲与桥面板等效为板单元。下层桥面系与下弦杆横梁之间通过刚性连接进行连接，下弦杆横梁端部与下弦杆共节点。中支点及端支点横梁对应位置约束相应的自由度。

建立的整体有限元分析模型如图2所示。

图2 3×72 m连续钢桁架叠合梁整体计算有限元模型

桥面横梁与上弦杆及下层桥面板与下横梁连接细部如图3、图4所示。

图3 桥面横梁与上弦杆连接图

图4 下层桥面板与下横梁连接图

整体分析模型模拟施工阶段如下：

（1）安装钢桁梁、上层钢横梁及下层钢桥面板，并安装桁架节点板位置横梁相接的小纵梁及截面端部小纵梁。

（2）两中支点向上顶升55 cm。

（3）安装剩余段小纵梁。

（4）吊装施工上层预制混凝土桥面板，现浇预制桥面板纵横向湿接缝，待达到设计强度后张拉横向预应力。

（5）中支点下降回落至设计标高。

（6）施工桥面铺装、栏杆等二期荷载。

（7）成桥。

施工阶段钢梁应力满足。

成桥状态，桥面板收缩徐变完成前及完成后，恒载+活载+沉降组合下，主要钢结构杆件组合应力如表1所列。

表1 恒载+活载+沉降组合主要杆件应力一览表

可知横+活+沉降组合下，最大应力均小于210 MPa，满足要求。

成桥状态，桥面板收缩徐变完成前及完成后，恒载+活载+沉降+温度+风荷载组合下，钢结构主要杆件组合应力如表2所列。

表2 恒载+活载+沉降+温度+风荷载组合主要杆件应力一览表

恒载+活载+沉降+温度+风荷载组合下，容许应力最大为283.5 MPa，验算满足。

2.2 结构刚度计算

在活载作用下，其结构变形如图5所示；计算其结构位移，如表3所列。

图5 活载下结构变形图

表3 活载竖向位移一览表

结构最大挠跨比为：0.033/72=1/2180，结构刚度验算满足规范要求。

2.3 整体稳定计算

运营阶段，在进行整体稳定验算时，考虑的荷载包括：结构自重、近期铺装荷载、远期铺装荷载、防撞栏恒载、楼梯荷载和桥面板横向预应力荷载。经计算，其整体稳定系数为17.38＞4，满足要求。

2.4 混凝土桥面板剪力连接件计算

该工程中剪力连接件取用Φ22×180栓钉。根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）[1]，计算单个剪力钉承载力如下：

取1.4的安全系数，容许强度：

通过有限元计算，纵桥向剪力连接件所承受的剪力考虑的荷载主要有：恒载、活载和收缩徐变、温度荷载作用。配置的剪力钉数量如下：

端节点2 m范围内所需钉数为220个；桁架节点4 m范围内所需钉数为260个；一般区域4 m范围内所需布钉为160个。

3 叠合桥面板计算

连续钢-混凝土叠合梁中支点位置，在恒载及汽车等活载作用下，主梁承受负弯矩作用。在墩顶负弯矩作用下，上缘混凝土桥面板受拉。为抵抗负弯矩产生的拉应力，通常可以采用的工程措施有[2]：预加荷载法、调整支点高度法、设置预应力钢筋、优化桥面板施工顺序、限制混凝土裂缝宽度方法及部分组合梁法。

调整支点高度法，一般先在钢梁架设完成后，将中支点通过千斤顶抬升一定高度，然后浇筑混凝土桥面板，待混凝土桥面板达到设计强度后，将中支点下降至设计高度，从而使混凝土桥面板产生一定的压应力。

连续叠合梁桥梁设计时，在外荷载作用下，需验算桥面板中的最大裂缝宽度，使其满足现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2015）的相关规定[3]。通常，在荷载作用下，混凝土桥面板控制不出现裂缝或将裂缝宽度限制在一定范围内。从经济性考虑，一般将墩顶的裂缝宽度限定在一定的允许范围。

经过计算，当不采取任何措施，成桥阶段，在栏杆、铺装等二期恒载作用下，墩顶负弯矩区桥面板中有3.5 MPa的拉应力。为了控制墩顶裂缝，采用了调整支点高度的方法：钢梁架设完毕后先将桁架顶升55 cm，然后才能安装预制桥面板，并从跨中向墩顶浇筑桥面板间的现浇接缝，待达到规定的结构强度后将结构下降到永久支座上。钢梁顶升点在永久支座旁进行，图6为钢梁顶升施工之实景。

图6 顶升中的钢桁梁之实景

根据整体计算得到桥面板内力，并叠加汽车局部加载荷载引起桥面板内力，计算墩顶板顶裂缝宽度为0.158 mm，小于0.2 mm，满足规范要求。

4 下层人行桥面系计算

该工程下层桥面板采用10 mm厚钢板，横向12 m。由于在施工过程中，对中支点顶升55 cm，根据整体计算模型，在桥面板顶升施工过程中，存在80 MPa压应力，因而对下层桥面的稳定需要格外关注。为此，要对下层桥面板进行受压稳定验算。

在下层桥面板稳定验算时，计算采用板单元模拟加劲及横梁，约束纵桥向一端三个方向的平动自由度，另一端约束竖向自由度。横桥向约束两侧桥面板的竖向及横向自由度。

在桥面板计算时，考虑荷载为：钢桥面板自重78.5 kN/m3；桥面板铺装及人行荷载；板端压力荷载值80 MPa。

建立局部分析计算模型，予以屈曲分析（见图7）。

图7 下层桥面板稳定计算模型

得到在所加荷载下，弹性屈曲系数为4.15＞4，满足要求。

5 钢桁架主梁施工

根据梅山春晓桥所处的环境，主桁采用节段拼装，桥梁共分东西两联。在桥梁施工时，采用轨道滑移法就位进行施工。

首先，将每一联纵向分成13个节段，最大节段重约372 t。工厂加工完毕后，采用驳船运至现场，利用浮吊将桁梁起吊，安放在设置的滑移轨道上。通过滑移小车将节段梁运至引桥岸侧。一联（3×72 m）主桥滑移就位后，进行现场拼接（见图8）。

图8 主桁轨道滑移示意图

6 结语

本文结合梅山春晓大桥水中引桥钢-混凝土连续桁架叠合梁设计，介绍了其整体强度分析、刚度分析、稳定分析；桥面板与钢连接件设计；混凝土桥面板设计及需要重点解决墩顶区段的混凝土桥面板裂缝问题。并结合该工程，对主桁钢梁施工进行了简单介绍。

在桥面板裂缝计算时，一定要注意将桥面板整体受力和局部受力进行组合，以便得到桥面板中外荷载的最大效应。梅山春晓大桥水中引桥采用的是调整支点位移方法，同时在施工中，对桥面板现浇湿接缝的浇筑顺序进行了控制。计算表明，能有效地控制墩顶位置桥面板裂缝宽度。

对于该工程采用双层桥面，由于施工过程中需要对桁架进行顶升施工，对下层桥面的稳定亦需要重点关注。本文所述内容可供类似工程项目参考。

[1]JTG D64-2015，公路钢结构桥梁设计规范[S].

[2]吴冲.现代钢桥[M].北京：人民交通出版社，2006.

[3]JTG D62-2015，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].